автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования электровозов

На правах рукописи

МИХАЛЬЧУК Николай Львович

АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

004605485

Иркутск-2010

004605485

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) Федерального агентства железнодорожного транспорта

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Астраханцев Леонид Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шаманов Виктор Иннокентьевич; кандидат технических наук, доцент Савилов Андрей Владиславович Ведущая организация: ГОУ ВПО «Братский государственный

университет» (БрГУ), г.Братск.

Защита диссертации состоится «24» июня 2010 г. в 12.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 218.004.01 при ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « 15» мая 2010г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.004.01.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения расходов на эксплуатацию электровозов. При этом в условиях, когда повышение надежности и долговечности в сложных электромеханических объектах исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто методами адаптивного управления. Для решения подобных задач необходима разработка методов управления технологическими процессами с помощью технических средств, адаптивных к условиям окружающей среды и к системам электроснабжения. Управление технологическими процессами тепловлагообмена в изоляции электрооборудования при быстро изменяющихся параметрах и внешних возмущениях является эффективным способом повышения надежности и долговечности электрооборудования. Внедрение систем управления, повышающих качество и эффективность технологических процессов, снижающих интенсивность отказов электрооборудования и увеличивающих его ресурс, является одним из важнейших направлений дальнейшего развития техники.

Анализ надежности электрооборудования технологических установок показал, что на долю силового электрооборудования приходится более одной пятой отказов. Результатами исследований установлено, что 75...85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весешшй период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции силового электрооборудования, снижение се диэлектрической прочности.

Рост количества повреждений изоляции происходит по мере увеличения срока эксплуатации электрооборудования. Средняя стоимость устранения отказа силового электрооборудования на электровозах составляет 148 тыс. рублей и в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов технологического оборудования. Две трети неисправностей силового электрооборудования вызваны пробоями изоляции токоведущих частей. Существующими системами управления не учитывается влияние на качество изоляции таких параметров внешней среды, как перепады температуры окружающего воздуха, влажность и барометрическое давление. В процессе эксплуатации электрооборудования технологических установок с

известными системами управления из-за неравномерности нагрузки возрастает количество циклов нагрева и охлаждения изоляционного материала, что вызывает его интенсивное старение.

В связи с этим возникает необходимость разработки и внедрения адаптивной системы управления тепловлагообменом в изоляции силового электрооборудования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов на основе разработки адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей, повышение надежности и ресурса электрооборудования.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

-выполнить анализ причин отказов электрооборудования электровозов при эксплуатации их в условиях Восточного региона Российской Федерации;

-провести анализ воздействия параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования;

-выполнить обзор методов анализа и синтеза адаптивных систем управления, обосновать структуру адаптивной системы управления температурным режимом электрооборудования;

-разработать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрических машин электровоза;

-исследовать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрооборудования и рассчитать ее технико-экономическую эффективность.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:

- закономерности воздействия внешней среды на изоляцию электрооборудования электровозов;

-беспоисковая адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации параметра;

- математическая модель адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления;

-методика расчета показателей качества управления адаптивной системы с наблюдающим устройством идентификации параметра.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработана адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования технологических установок, предложена методика расчета показателей качества управления системы, с наблюдающим устройством идентификации параметра.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на фундаментальных положениях теории автоматического управления; подтверждена практической реализацией и экспериментальной проверкой результатов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрены на предприятиях Восточно-Сибирской железной дороги филиала ОАО «Российские железные дороги». Опытный образец адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления, методика математического моделирования адаптивной системы управления внедрены в учебный процесс Иркутского государственного университета путей сообщения при подготовке инженеров по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог» и повышении квалификации специалистов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях ИрГУПС 2006, 2008 г.; на научно технической конференции «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование»» Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр» (г. Иркутск 2008 г.); на региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции с

международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Красноярск, 2005 г.); на Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике И образовании» (г. Иркутск, 2005г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 4 работы опубликовано в изданиях, определенных перечнем ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 219 наименований и 12 приложений. Общий объем работы составляет 249 страниц машинописного текста, содержит 45 рисунков и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена область исследований, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные результаты работы, выносимые на защиту, их теоретическая и практическая значимость, отражены сведения о реализации и апробации результатов работы.

В первой главе рассматриваются математические модели окружающей среды, термодинамика влажного воздуха. Выполнен анализ влияния параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования и его отдельных элементов. Изменение температуры, влажности, парциального давления влияют на состояние изоляции, что приводит к разрушению электроизоляционных материалов силового электрооборудования и обмоток электрических машин электровозов. При изменении режимов работы электрооборудования и параметров окружающей среды термодинамическое равновесие изоляции нарушается. Воздействия окружающей среды на изоляционный материал рассматриваются на основе уравнений Навье-Стокса, а также учтены особенности термодинамики влажного воздуха, действующего на объект регулирования.

На изоляцию электрооборудования действует множество воздушных потоков, большинство из которых являются турбулентными, поэтому воздействие на изоляционный материал изменяющихся параметров внешней среды является

чрезвычайно сложным. Перенос тепла и влаги в изоляции происходит непрерывно, а изоляция электрооборудования переходит к новому равновесному состоянию, обмениваясь с атмосферной влагой и теплом, что приводит к необходимости использовать для исследования процесса тепловлагообмена методы математического моделирования.

Для учета внешних факторов, которые воздействуют на изоляцию, получена модель процесса тепловлагопереноса для трех компонент вектора скорости и потока среды с использованием показателя ее эффективной вязкости. При охлаждении воздуха ниже температуры насыщения, соответствующей парциальному давлению содержащегося в нем водяного пара, насыщенный пар частично конденсируется, переходя в жидкую (капли воды) или твердую (кристаллы льда) фазу. Поэтому математическая модель воздействия параметров окружающей среды на изоляцию дополнена зависимостью величины влагосодержания <3П от парциального давления пара в воздухе (1).

0.622 *р

а --% (1)

п е-Рп

где р„ -давление водяного пара, (Па); р- давление влажного воздуха, (Па).

Для моделирования зависимости давления насыщенного пара от температуры воздуха

использованы экспериментально полученные выражения (2,3)

1п р5У! —6094,4692т1 + 21,1249952 - 0.027245552Т + 0,000016853396Тг +2,45755061п Т; (2) 1п р„! = -5504.4088Т1 - 3,5704628 - 0.017337458Т + 0,0000065204209Т2 + 6,1295027 1п Т; (3)

Анализом исследований по надежности электрического оборудования на примере электричеких машин электровозов, установлено, что циклические изменения температуры изоляции существенно влияют на электрофизические характеристики и на процесс старения изоляционных конструкций. Для оценки надежности технических средств изучен поток отказов элементов технологических установок. На основании статистических данных получена зависимость потока отказов изоляции электрооборудования за единицу выполненной работы. Установлено, что перепады температуры окружающей среды и изменения нагрузки электрооборудования,

продолжительность эксплуатации непосредственно воздействуют на увлажнение изоляционного материала и связанны с потоками отказов электрооборудования.

Вторая глава посвящена разработке математической модели процессов переноса тепла и влаги в изоляции электрооборудования.

Применительно к процессу вентиляции увлажненной изоляции обмоток электрооборудования получена система дифференциальных уравнений, которая позволяет учесть явления сорбции и десорбции в изоляционном материале:

— = К,. • У2и + К,2 • У2Т + К,3 -У2Р + К,4 -У2У ; (4)

й

~ = К21 • У2и + К22 • У2Т + Ки ■ У2Р + К24 • V2V ; (5)

й

яр

= К31 • 72и + К32 ■ У2Т + К33 - 72Р + К31 - V2V; (6)

от

ЗУ _

(7)

где коэффициенты (у = 1,2,3) равны

К„=а„,; К12=а1П-5 = (а11+а^!); К13=кр/р0; (8)

К21=^.ат; К22=а + ^.ат-5; Кв=£т-^.8; (9)

с с с р

К31=^.ат; К32=-^-5; К33 =(ар-^-8); (10)

ср ср ср

Т

К1< = = К34 = К44 = /V»«

\ р«зн разн /

где ат- коэффициент диффузии влаги; а* - коэффициент термодиффузии влаги; кр-коэффициент фильтрационного переноса влаги; 5р- относительный коэффициент фильтрационного потока влаги; ар- коэффициент конвективной фильтрационной к

диффузии а р =—2—; ср- коэффициент емкости влажного воздуха в пористом теле; ср "Ро

»конечного и начального разнообъемного значения. ^ = К„-У2и + К,2-У2Т + К,3-72Р ,

где дополнительный перенос влаги, локальное изменение переноса влаги в

изоляции электрооборудования во времени; и - влагосодержание в изоляции электрических машин; Т - температура увлажненной изоляции обмоток электрических машин; Р - давление окружающей среды; V2 - оператор Лапласа, результаты расчета которого зависят от геометрических размеров тела. Изменение объема V изоляции электрооборудования электрических машин с течением времени I под действием трех движущих сил. Рассчитывалось по формулам:

) (и)

1 (V -У'ач XV - V)

1=-:--Ьг " рази А рази

к Г\Л°" -V"" (Vю" - V XV-V"" 1 к >

Аъ-т\'рпн разн/ V. * разн ТнА* Тразн/

Решение системы уравнений кинетики процесса переноса тепла и влаги (4-7), отражающих взаимосвязь между тепло - и влагообменом и ростом объема изоляции обмоток получено на основе уравнения энергетического баланса применительно к процессу нагрева изоляции обмоток электрических машин.

1 = ЛпЬв.) (13)

где Т - постоянная времени нагрева изоляции обмотки электрических машин, с;

гтах>*пип- превышение температуры изоляции обмотки над температурой окружающей среды, К.

Постоянная времени нагрева Т рассчитывалась по геометрическим и физическим характеристикам изоляции электрооборудования электровозов. Так как, явления тепловлагообмена и рост объема изоляции электрооборудования совпадают по фазе, то для прогнозирования состояния изоляции принят модифицированный обобщенный диагностический параметр:

_ _Т_

т (\1 кон г нач \

(14)

V разн * разн )

Превышение температуры обмотки тягового двигателя над температурой окружающей среды рассчитывалось с помощью уравнения:

'■'•М-^ЬН-т)) (15)

где т - установившееся превышение температуры изоляции электрооборудования над температурой окружающей среды при заданном режиме работы электрооборудования.

Наибольшее значение превышения температуры х, полученное при расчете, приводилось к температуре воздуха окружающей среды с учетом параметров устройств защиты от попадания снега, влаги, пыли в систему вентиляции:

Тр — Т Ксз Ков,

где Ксз - коэффициент фильтра, учитывающий защиту от попадания снега влаги и пыли;

Ко, - коэффициент приведения превышения температуры изоляции электрооборудования к температуре окружающего воздуха

Построена Ы диаграмма влажного воздуха для процесса сушки изоляции и для разработки алгоритма функционирования адаптивной системы управления температурой изоляции электрооборудования технологических установок.

В третьей главе приведен анализ автоматических систем управления технологическими процессами, сформулированы задачи адаптивного управления. Выполнена оценка системы поисковой идентификации, поисковой системы с градиентным алгоритмом, беспоисковой самонастраивающиеся системы с эталонной моделью, со стабилизацией частотных и временных характеристик, с переключающейся структурой регуляторов, с наблюдающими устройствами идентификации.

Выбор структурной схемы адаптивной следящей системы с наблюдающим устройством идентификации параметра обоснован нестационарностью температурного режима изоляции электрооборудования, как объекта управления. Изменение параметров исполнительного элемента зависит от изменений контуров цепи и от изменения передаточных функций звеньев системы, от изменения тепловой инерции объекта управления и параметров внешней среды. В процессе эксплуатации системы управления возможны значительные изменения возмущающих и управляющих воздействий, что может привести к существенному увеличению динамических ошибок системы и к необходимости перенастройки параметров регулятора для минимизации ошибок автоматической системы управления.

Алгоритм работы адаптивного наблюдателя системы управления построен с учетом изменения объема изоляционного материала V, модифицированного обобщенного диагностического параметра, рассчитываемого путем решешю системы уравнений:

^ = (16)

^ =рКгод(т0-Ат) (17)

ш

В четвертой главе изложено устройство разработанной адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования электровоза. Обоснована функциональная и структурная схема системы. Разработана методика математического моделирования автоматической системы управления и представлены результаты расчета показателей качества управления.

При реализации разработанного алгоритма адаптивного управления с наблюдающим устройством идентификации параметра при изменении режимов работы электрооборудования электровоза и параметров окружающей среды автоматическая система имеет возможность управлять термодинамическим равновесием в изоляции и адаптироваться к режимам нагрузки электрооборудования, к климатическим условиями эксплуатации и к системе электроснабжения, повышая долговечность и надежность технологических установок.

Число параметров, подлежащих измерению, контролю и управлению в системе управления температурным режимом изоляции электрооборудования обосновано в 1 и 2 главах. К ним относится температура, парциальное давление водяных паров, температура точки росы, влагосодержание, относительная влажность, энтальпия и скорость воздуха.

Обоснованы требования к системе управления и разработаны технические решения исполнительного элемента, с изменяемой структурой, адаптивного к системе электроснабжения технологических процессов.

Функциональная схема адаптивной системы управления (рис. 1) содержит в качестве исполнительного элемента полупроводниковый преобразователь с переменными параметрами, асинхронный двигатель и вентилятор.

Рис. 1 Функциональная схема адапгавной системы управления СУ - система управления, П - преобразователь частоты, Д - асинхронный двигатель, В -венгалятор, ОР - объект регулирования.

Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты 50/25 Гц разработана на основе выполнения требований по обеспечению его электромагнитной совместимости с системой электроснабжения и высоких энергетических показателей электропривода в режиме управления. Рекомендации по преобразованию частоты и действующего напряжения получены с помощью разработанной математической модели энергетических процессов частотно-управляемого асинхронного электропривода с полупроводниковым преобразователем.

Форма тока на входе разработанного преобразователя близка к синусоидальной, а высокая энергетическая эффективность достигается за счет изменения входного электрического сопротивления электропривода. Повышение надежности разработанного преобразователя по сравнению с аналогами достигается за счет естественной коммутации тиристоров. В штатном режиме на обмотки статоров всех электродвигателей мотор-вентиляторов прикладывается напряжение ~ 11вх с частотой 50 Гц и номинальным действующим значением. Исполнительным элементом системы управления изменяется частота и действующее значение и, входное электрическое сопротивление электропривода, частота вращения вала асинхронного двигателя и производительность вентилятора

Математические модели элементов автоматической системы управления представлены в структурной схеме (рис. 2) передаточными функциями.

Рис. 2 Структурная схема адаптивной системы управления Адаптивный наблюдатель, оценивает вектор состояния изоляции электрооборудования на основе математической модели диффузионного -фильтрационного тепловлагопереноса в изоляции (глава 1,2) и идентифицирует параметры объекта регулирования по изменению объема изоляционного материала и превышению температуры обмоток тягового электродвигателя электровоза над температурой окружающей среды. Алгоритм работы наблюдающего устройства описывается уравнением (16, 17) Устойчивость системы управления при идентификации ¿V

параметра —- определялась на основании второго метода Ляпунова.

автоматической системы управления

Сходимость процесса оценки устойчивости, адаптивной системы управления основана на условии расчета ошибки наблюдателя и её оценки быстрее основного переходного процесса в системе управления и на основе выполнения требований к помехоустойчивости системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

При реализации разработанного алгоритма адаптивного управления с наблюдающим устройством идентификации параметра (рис. 3) при любом изменении режимов работы электрооборудования и параметров окружающей среды автоматическая система имеет возможность управлять термодинамическим равновесием в изоляции и адаптироваться к режимам нагрузки электрооборудования, климатическим условиями эксплуатации, повышая долговечность и надежность технологических установок.

С помощью математических моделей отдельных элементов (рис. 4) и автоматической системы управления в целом (рис. 5) в среде МАТЬАВ - ЗнпиНпк

Рис. 4 Имитационная модель исполнительного элемента адаптивной системы

Рис. 5 Имитационная модель адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования в среде МАТЪАВ

выполнено решение системы дифференциальных уравнений и получены результаты, которые позволяют оценить качество адаптивного управления. На рис. 6 а, б представлены результаты расчета изменения температуры изоляции электрооборудования при повышении (рис. 6 а) и при снижении (рис. 6 б) нагрузки с повышением производительности исполнительного элемента (рис 6 а) с понижением производительности исполнительного элемента (рис. 6 б). На рис. 6 в, г представлены результаты расчета изменения температуры изоляции электрооборудования при повышении (рис. 6 в) и при снижении (рис. 6 г) нагрузки с повышением производительности исполнительного элемента (рис. 6 в) с понижением производительности исполнительного элемента (рис 6 г). На рис. 6 д, е представлены результаты расчета изменения температуры изоляции электрооборудования электровоза при повышении (д) и при снижении (е) нагрузки, когда адаптивной системой управления производительность исполнительного элемента не изменяется.

Рис. 6 Переходные процессы повышения и понижения температуры объекта регулирования при положительных и отрицательных температурах внешней среды

В пятой главе выполнен расчет технико-экономической эффективности, доказывающий эффективность внедрения в производство адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

Эффектообразующим фактором при использовании адаптивного наблюдателя параметра изоляции электрооборудования на примере тягового привода электровоза, является сокращение эксплуатационных расходов, обусловленное экономией от снижения расходов на проведение неплановых ремонтов. Годовой экономический эффект от внедрения адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования, в расчете на единицу оборудования составляет 298 тыс. рублей. Чистый дисконтированный доход 2029 тыс. рублей, срок окупаемости капитальных вложений равен 1,4 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической проблемы - разработана адаптивная система управления температурным режимом

изоляции электрооборудования технологических установок, обеспечивающая электромагнитную совместимость устройства с системой электроснабжения и повышающая эффективность, надежность электрооборудования электровозов.

На основании исследований, проведенных в работе, получены следующие результаты и выводы:

1. На основании анализа надежности электрооборудования электровозов установлено, что 75...85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в период времени года, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции токоведущих частей, снижение ее диэлектрической прочности.

2. Полученные аналитические выражения для кинетики процесса переноса тепла и влаги в изоляции электрооборудования позволяют учесть влагосодержание, парциальное давление охлаждающего воздуха, изменение объема изоляционного материала, а также параметры устройств защиты системы вентиляции от снега и пыли для того, чтобы снизить погрешность автоматической системы управления процессом тепловлагообмена.

3. Результатами исследований доказано, чго решение задач по поддержанию высокого качества изоляции электрооборудования можно выполнять на основе адаптивных систем управления объектами с предварительно неопределенными параметрами. Благодаря адаптивному методу управления процессом тепловлагообмена становится возможным заранее учитывать закономерности изменения электрического сопротивления, увлажнения, объема и поляризации изоляционного материала электрооборудования.

4. Адаптация к системе электроснабжения разработанной беспоисковой автоматической системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования с наблюдающими устройствами идентификации параметров обеспечивается за счет применения в качестве исполнительного элемента -полупроводникового преобразователя входного электрического сопротивления технологических установок.

5. Установлено, что разработанный алгоритм функционирования адаптивного наблюдателя обеспечивает его асимптотическую устойчивость и способствует

выполнению требований по помехоустойчивости системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования электровоза.

6. Разработанная методика анализа и синтеза адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования технологических установок в среде MATLAB - Simulink на основе имитационного и структурного моделирования реальных физических процессов позволяет с минимальными погрешностями подбирать параметры элементов системы, формировать их алгоритм функционирования и наладку автоматической системы управления.

7. Экономический эффект от внедрения нового поколения адаптивных беспоисковых систем управления температурным режимом изоляции электрооборудования с идентификацией параметров обеспечивается за счет повышения надежности и долговечности электрооборудования электровозов, снижения эксплуатационных расходов, экономии энергетических ресурсов и составляет 298 тыс. рублей в год. Срок окупаемости инвестиций составляет 1,4 года.

Научные публикации по теме диссертации в изданиях определенных перечнем ВАК РФ.

1. Астраханцев Л.А., Электронные преобразователи [Текст] / Рябченок H.JI., Алексеева Т.Л., Михальчук Н.Л // Железнодорожный транспорт, 2008. - №10. - С. 7880.

2. Лукьянов A.B., Тепловизионный контроль оборудования локомотивов [Текст] / Михальчук Н.Л., Капустин Н.И., Лукьянов A.A., Капустин А.Н. // Железнодорожный транспорт, 2005 -№8. - С. 48-50.

3. Патент № 2291544 Российская Федерация, МПК (2006.01) Н02К_9/0б Устройство для автоматического регулирования температурно-влажностных режимов обмоток тяговой электрической машины постоянного тока [Текст] / Михальчук Н.Л. [и др.]; патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщ- № 2005108737/09; заявл. 28.03.05; опубл. 10.01.07, Бюл. №1.- 12с.

4. Патент № 82428 Российская Федерация, МПК (2006.01) В01Д46/00 Двухступенчатый фильтр очистки воздуха от влаги и абразивных частиц [Текст] /

Михальчук Н.Л. [и др.]; патентообладатель Иркутский гос. ун-т путей сообщ- № 2008105647/22; заявл. 13.02.08; опубл. 27.04.09, Бюл. №12,- Зс.

Другие научные публикации по теме диссертации

5. Михальчук Н.Л., Адаптивные системы управления тспловлагообменными процессами на электровозе [Текст] / Худоногов A.M., Смирнов В.П., Орленко А.И., Коноваленко Д.В. // Труды региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», ДВГУПС, Хабаровск, 18-19 апреля 2006 г. - ДВГУПС., 2006.- Т. 1. - С.224.

6. Михальчук Н.Л., Диагностика изоляции обмоток тяговых электрических машин методом волновых затухающих колебаний [Текст] / Худоногов A.M., Смирнов В.П., Орленко А.И., Коноваленко Д.В. // Труды региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», ДВГУПС, Хабаровск, 18-19 апреля 2006 г. - ДВГУПС., 2006.- Т. 1. -С.224.

7. Лукьянов A.B., Разработка программного комплекса тепловизионного контроля технического состояния оборудования локомотивов [Текст] / Михальчук Н.Л., Капустин Н.И., Лукьянов A.A. // Труды X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании», Иркутск. Часть И: Иркутск, ИСЭМ СО РАН,- 2005 - С. 97-103.

Худоногов A.M., Выбор режимов сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электродвигателей [Текст] / Исмаилов Ш.К., Смирнов В.П., Михальчук Н.Л., Фейлер К.Л., Гамаюнов И.С. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Красноярск, 19-21 мая 2005 г. - Изд-во «Гротеск», 2005 - Т. 1. - С.632.

Заявка 2007114659 Российская Федерация, МПК (2006.01) Способ двухступенчатой очистки охлаждающего воздуха от абразивных частиц с адаптивной системой удаления влаги и устройство для его осуществления [Текст] / Михальчук Н.Л. [и др.]; положительное решение о выдаче патента от 16.01.09.

Подписано в печать: 15.05.2010 г. Формат 60x90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,16 Тираж 120 экз. Заказ № 546

Отпечатано:Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Соеновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53: тел.: 38-78-40. тел./факс: 598-498

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

1.1 Математическое моделирование воздействия внешней среды на электрооборудование.

1.2 Вопросы термодинамики влажного воздуха, воздействующего на объект регулирования.

1.3. Анализ воздействия параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования.

2 ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ.

2.1 Воздействие влажного воздуха на изоляционный материал электрооборудования.

2.2 Способы сохранения и восстановления изоляции электрооборудования.

2.2.1 Электрокалориферный способ сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.

2.2.2 Токовый метод повышения сопротивления изоляции тяговых электрических машин.

2.2.3 Анализ режимов вентиляции увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.

2.2.4 Анализ метода вентиляции увлажненной изоляции при помощи вентиляторов электровоза.

3 АНАЛИЗ АДАПТИВНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Анализ систем управления и задач адаптивного управления.

3.2 Развитие адаптивных систем управления.

3.3 Методы и задачи синтеза адаптивных систем управления.

3.4 Основные направления решений проблемы адаптации.

3.5 Адаптивные системы управления с наблюдающими устройствами идентификации.

4 РАЗРАБОТКА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТЕПЛОВЛАЖНОСТНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 4.1 Обоснование требований к системам регулирования и разработка алгоритма управления температурным режимом.

4.2 Технические решения обеспечивающие рациональные тепловлажностные характеристики изоляции.

4.3 Технические решения по управлению вентиляцией в процессе эксплуатации электрооборудования. Современные способы и технические средства управления производительностью вентиляторов.

4.4 Анализ адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрических машин.

5 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АДАПТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ.

5.1 Определение сметной стоимости оборудования системы управления температурным режимом.

5.2 Определение дополнительных эксплуатационных расходов.

5.3 Определение экономической эффективности внедрения.

ВЫВОДЫ.

Актуальность работы обусловлена необходимостью снижения расходов на эксплуатацию электровозов. При этом в условиях, когда повышение надежности и долговечности в сложных электромеханических объектах исчерпываются, дальнейшее повышение их эффективности может быть достигнуто методами адаптивного управления. Для решения подобных задач необходима разработка методов управления технологическими процессами с помощью технических средств, адаптивных к условиям окружающей среды и к системам электроснабжения. Управление технологическими процессами тепловлагообмена в изоляции электрооборудования при быстро изменяющихся параметрах и внешних возмущениях является эффективным способом повышения надежности и долговечности электрооборудования. Внедрение систем управления, повышающих качество и эффективность технологических процессов, снижающих интенсивность отказов электрооборудования и увеличивающих его ресурс, является одним из важнейших направлений дальнейшего развития техники.

Анализ надежности электрооборудования технологических установок показал, что на долю силового электрооборудования приходится более одной пятой отказов. Результатами исследований установлено, что 75. 85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции силового электрооборудования, снижение ее диэлектрической прочности.

Рост количества повреждений изоляции происходит по мере увеличения срока эксплуатации электрооборудования. Средняя стоимость устранения отказа силового электрооборудования на электровозах составляет 148 тыс. рублей и в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов технологического оборудования. Две трети неисправностей силового электрооборудования вызваны пробоями изоляции токоведущих частей. Существующими системами управления не учитывается влияние на качество изоляции таких параметров внешней среды, как перепады температуры окружающего воздуха, влажность и барометрическое давление. В процессе эксплуатации электрооборудования технологических установок с известными системами управления из-за неравномерности нагрузки возрастает количество циклов нагрева и охлаждения изоляционного материала, что вызывает его интенсивное старение.

В связи с этим возникает необходимость разработки и внедрения адаптивной системы управления тепловлагообменом в изоляции силового электрооборудования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности технологических процессов тепловлагообмена на основе разработки адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей, повышение надежности и ресурса электрооборудования.

Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:

-выполнить анализ причин отказов электрооборудования электровозов при эксплуатации их в условиях Восточного региона Российской Федерации;

-провести анализ воздействия параметров окружающей среды на состояние изоляции электрооборудования;

-выполнить обзор методов анализа и синтеза адаптивных систем управления, обосновать структуру адаптивной системы управления температурным режимом электрооборудования;

-разработать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрических машин электровоза;

-исследовать адаптивную систему управления температурным режимом изоляции электрооборудования и рассчитать ее технико-экономическую эффективность.

Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:

-закономерности воздействия внешней среды на изоляцию электрооборудования электровозов;

-беспоисковая адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающими устройствами идентификации параметра;

-математическая модель адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления;

-методика расчета показателей качества управления адаптивной системы с наблюдающим устройством идентификации параметра.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработана адаптивная система управления температурным режимом изоляции электрооборудования технологических установок, предложена методика расчета показателей качества управления системы, с наблюдающим устройством идентификации параметров.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на фундаментальных положениях теории автоматического управления; подтверждена практической реализацией и экспериментальной проверкой результатов исследований, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрены на предприятиях ВосточноСибирской железной дороги филиала ОАО «Российские железные дороги». Опытный образец адаптивной системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования с наблюдающим устройством идентификации и изменяемой структурой управления, методика математического моделирования адаптивной системы управления внедрены в учебный процесс Иркутского государственного университета путей сообщения при подготовке инженеров по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог» и повышении квалификации специалистов.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях ИрГУПС 2006, 2008 г.; на научно технической конференции «Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование»» Международный выставочный комплекс «СибЭкспоЦентр» (г. Иркутск 2008 г.); на региональной научно-технической конференции «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Красноярск, 2005 г.); на Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании» (г. Иркутск, 2005г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, из них 4 работы опубликовано в изданиях, определенных перечнем ВАК Российской Федерации.

ВЫВОДЫ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-технической задачи — разработана адаптивная система управления тепловлагообменом в изоляции электрооборудования технологических установок, обеспечивающая электромагнитную совместимость устройства с системой электроснабжения и повышающая эффективность, надежность электрооборудования технологических установок.

На основании исследований, проведенных в работе, получены следующие результаты и выводы:

1. На основании анализа надежности электрооборудования технологических установок установлено, что 75.85% электрооборудования выходит из строя по пробою изоляции в период времени года, когда происходит интенсивное изменение температуры окружающей среды и увлажнение изоляции токоведущих частей, снижение ее диэлектрической прочности.

2. Полученные аналитические выражения для кинетики процесса переноса тепла и влаги в изоляции электрооборудования позволяют учесть влагосодержание, парциальное давление охлаждающего воздуха, изменение объема изоляционного материала, а также параметры устройств защиты системы вентиляции от снега и пыли для того, чтобы снизить погрешность автоматической системы управления процессом тепловлагообмена.

3. Результатами исследований доказано, что решение задач по поддержанию высокого качества изоляции электрооборудования можно выполнять на основе адаптивных систем управления объектами с предварительно неопределенными параметрами. Благодаря адаптивному методу управления процессом тепловлагообмена становится возможным заранее учитывать закономерности изменения электрического сопротивления, увлажнения, объема и поляризации изоляционного материала электрооборудования.

4. Адаптация к системе электроснабжения разработанной беспоисковой автоматической системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования с наблюдающими устройствами идентификации параметров обеспечивается за счет применения в качестве исполнительного элемента - полупроводникового преобразователя входного электрического сопротивления технологических установок.

5. Установлено, что разработанный алгоритм функционирования адаптивного наблюдателя обеспечивает его асимптотическую устойчивость и способствует выполнению требований по помехоустойчивости системы управления температурным режимом изоляции электрооборудования.

6. Разработанная методика анализа и синтеза адаптивной системы управления температурным режимом изоляции токоведущих частей электрооборудования технологических установок в среде MATLAB — Simulink на основе имитационного и структурного моделирования реальных физических процессов позволяет с минимальными погрешностями подбирать параметры элементов системы, формировать их алгоритм функционирования и наладку автоматической системы управления.

7. Экономический эффект от внедрения нового поколения адаптивных беспоисковых систем управления температурным режимом изоляции электрооборудования с идентификацией параметров обеспечивается за счет повышения надежности и долговечности электрооборудования технологических установок, снижения эксплуатационных расходов, экономии энергетических ресурсов и составляет 298 тыс. рублей в год. Срок окупаемости инвестиций составляет 1,4 года.

1. Абрамович Г.Н., Крашенинников С.Ю., Секундов А.Н., Смирнова И.П Турбулентное смешение газовых струй/. М.: Наука, 1974. - 272 с.

2. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы.: М.: Высш.шк., 1989.-264 с.

3. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. —Л.: Энергия, 1967.-432 с.

4. Аналитические самонастраивающиеся системы автоматического управления // Сб. науч. статей / Под ред. В. В. Солодовникова. — М.: Машиностроение, 1965. — 356 с.

5. Андреев Г.А., Воробьев А.А., Кучин В.Д. Температурная зависимость электрической прочности ионных кристаллов от температуры при электронной форме пробоя Текст. // Изв. Вузов, Физика, 1958. — №2. — С. 114-120.

6. Астраханцев Л.А. Электронные преобразователи Текст. / Рябченок Н.Л., Алексеева Т.Л., Михальчук Н.Л // Железнодорожный транспорт, 2008. -№10.-С. 78-80.

7. Баранов JI.A., Барков В.И., Широков В.Г. Применение тиристорного управления для регулирования мощности электродных водонагревателей / Комплексная механизация процессов сельскохозяйственного производства. Алма-Ата, 1986. - С. 140 - 155.

8. Баранов JI.A., Барков В.И., Широков В.Г. Управление работой электродных водонагревателей с помощью тиристоров // Вестник сельскохозяйственной науки Казахстана, 1985. № 5. - С. 76 - 79.

9. Баркан Я.Д., Маркушевич Н.С. Использование статистической информации о качестве напряжения в электрических сетях. — М.: Энергия, 1972. 120 с.

10. Барков А.С., Лебедев В.В., Лисицын В.П., Сонин B.C. Исследование возможности увеличения долговечности изоляции якорных обмоток тяговых двигателей Текст. Повышение надежности и совершенствование ремонта электровозов. — М.: Транспорт, 1974. — С. 53—58.

11. Басов A.M., Быков В.Г., Лаптев А.В., Файн В.Б. Электротехнология. М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с.

12. Блудов Л.С. Методика оценки срока службы электрической изоляции в случае нестационарного температурного режима. Тр. ВЭЛНИИ, 1968. Т. 10.-С. 224-228.

13. Бочаров В.И., Василенко Г.В., Курочка А.Л. и др. Магистральные электровозы. Тяговые электрические машины/Под ред. В.И. Бочарова, В.П. Янова. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 464 с.

14. Бровман Я.С., Каган В.Г., Кочубиевский Ф.Д. Электроприводы с полупроводниковым управлением/ вып. 107. -М. -Л.: Энергия, 1964. 88 с.19